Linux——匿名管道

Linux——匿名管道

  • 什么是管道
  • 匿名管道的底层原理
  • 观察匿名管道现象
    • 读写端的几种情况
    • 写端慢，读端快
    • 写端快，读端慢
  • 管道的大小
    • 写端关闭，读端一直读
    • 写端一直写，读端关闭

我们之前一直用的是vim来编写代码，现在有了vscode这样强大的编辑器，我们可以把我们的vim放一边了，如果还有小伙伴还没有配置好vscode的远端，可以点击这里：

https://blog.csdn.net/qq_67693066/article/details/136368891

我们今天进入管道的学习：

什么是管道

在计算机领域，管道（Pipeline）是一种将多个命令连接在一起以形成数据流的机制。它允许一个命令的输出成为另一个命令的输入，从而实现命令之间的数据传递和处理。

在 Unix/Linux 系统中，管道通常用竖线符号 | 表示。通过管道，可以将一个命令的输出传递给另一个命令进行处理，从而构建复杂的数据处理流程。

例如，假设我们有两个命令 command1 和 command2，我们可以使用管道将它们连接起来：

command1 | command2

这将会把 command1 的输出作为 command2 的输入，command2 将处理 command1 的输出并生成最终的结果。

管道的优势包括：

简化复杂任务： 管道可以将多个简单的命令组合成一个复杂的任务，使得任务的实现更加简单和高效。
模块化和可重用性： 通过将命令连接在一起，可以更好地组织代码并提高代码的可重用性。每个命令都可以专注于完成一个特定的任务。
减少临时文件： 管道可以避免将数据存储到临时文件中，从而减少了文件 I/O 的开销和磁盘空间的占用。
实时处理： 管道允许命令之间的实时数据传递，这对于需要连续处理数据的任务非常有用，比如日志处理、数据流分析等。

简单来说，管道就是连接多个指令。我们之前也在频繁使用管道：比如我们想统计当前登录到系统的用户数量。
在这里插入图片描述
who指令的结果作为wc -l的输入。

匿名管道的底层原理

我们这里讲的简单一点，现在我们有一个进程，它自身会被以读和写的方式分别打开一次：
在这里插入图片描述
然后这个读和写都会往一个缓冲区输入输出数据：

这个时候父进程创建子进程，子进程发生浅拷贝，指向没有发生变化：
在这里插入图片描述
这里注意一下，管道一般是单向的，所以我们现在想让父进程读，让子进程写：
在这里插入图片描述
这样形成了一个单向通道，这个就是一个基本的匿名管道。

匿名管道（Anonymous Pipe）是一种用于进程间通信的机制，特别是在 Unix 和类 Unix 系统中。它允许一个进程将输出发送到另一个进程的输入，从而实现进程间的数据传输。
以下是匿名管道的一些关键特点：
单向通信：匿名管道是单向的，只能支持单向数据流。它只能用于单一方向的通信，通常是父进程到子进程或者相反。
创建：匿名管道通过调用系统调用 pipe() 来创建。这个系统调用创建了一个管道，返回两个文件描述符，其中一个用于读取管道，另一个用于写入管道。
父子进程通信：通常，匿名管道用于父子进程之间的通信。在创建子进程后，父进程可以将数据写入管道，而子进程则可以从管道中读取这些数据。
半双工：匿名管道是半双工的，意味着数据只能在一个方向上流动。如果需要双向通信，则需要创建两个管道，或者使用其他的进程间通信机制，比如命名管道或套接字。
进程同步：匿名管道通常用于进程间的同步和协作。一个进程可能会阻塞在读取管道上，直到另一个进程写入数据到管道中为止。
匿名管道在 Unix 系统中被广泛应用，特别是在 shell 编程和进程间通信方面。它提供了一种简单而有效的方式，允许不同进程之间进行数据交换和协作

我也有专门创建管道的函数pipe：
在这里插入图片描述
我们可以来试一下：

#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<cassert>
using namespace std;int main()
{int pipefd[2] = {0};int n = pipe(pipefd);assert(n == 0);cout<<"pipefd[0]"<<"--->"<<pipefd[0]<<"pipefd[1]"<<"--->"<<pipefd[1]<<endl;return 0;
}

运行：
在这里插入图片描述
这里我们发现pipefd[0]指代的是3，而我们的pipefd[1]指代的是4。其实也很好理解，因为0，1，2被标准输入，标准输出，标准错误占了。所以从3开始。

同时，如果我么查手册会看到这样一段话：
在这里插入图片描述
这段话的主要意思是pipefd[0]是读端，而pipefd[1]是写端。这为我们以后哪个开哪个关提供了依据。

观察匿名管道现象

我们先搭建架子来观察我们匿名管道的现象：

#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<cassert>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
using namespace std;int main()
{//建立管道int pipefd[2] = {0};int n = pipe(pipefd);assert(n == 0);//创建子进程pid_t id = fork();//子进程if(id < 0){perror("fork fail");}if(id ==0){//子进程要做的事exit(0);}//父进程要做的事//回收子进程pid_t rid = waitpid(id,nullptr,0);if(rid == id){cout<<"wait success"<<endl;}return 0;
}

现在我们想让子进程写，父进程读，我们把相应用不到的管道关闭：

#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<cassert>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
using namespace std;int main()
{//建立管道int pipefd[2] = {0};int n = pipe(pipefd);assert(n == 0);//创建子进程pid_t id = fork();//子进程if(id < 0){perror("fork fail");return 1;}if(id ==0){//子进程要做的事close(pipefd[0]); //关闭读的通道exit(0);}//父进程要做的事close(pipefd[1]); //关闭写的通道//回收子进程pid_t rid = waitpid(id,nullptr,0);if(rid == id){cout<<"wait success"<<endl;}return 0;
}

我们让子进程写入一些东西，然后让父进程来读，看看行不行：

#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<cassert>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
#include<stdio.h>
#include<string.h>
using namespace std;
#define MAX 1024int main()
{//建立管道int pipefd[2] = {0};int n = pipe(pipefd);assert(n == 0);//创建子进程pid_t id = fork();//子进程if(id < 0){perror("fork fail");return 1;}if(id ==0){//子进程要做的事close(pipefd[0]); //关闭读的通道//向管道写入int cnt = 10;while(cnt){//缓冲区char message[MAX];//向缓冲区里写snprintf(message,sizeof(message),"hello father I am child my pid:%d cnt:%d ", getpid(),cnt);cnt--;//向管道写write(pipefd[1],message,strlen(message));sleep(1);}exit(0);}//父进程要做的事close(pipefd[1]); //关闭写的通道//从管道中读取数据char buffer[MAX];while(true){ssize_t n = read(pipefd[0],buffer,sizeof(buffer));if(n > 0){cout << getpid() << "," << "chid say :" << buffer << "to me" << endl;}}//回收子进程pid_t rid = waitpid(id,nullptr,0);if(rid == id){cout<<"wait success"<<endl;}return 0;
}

在这里插入图片描述
我们看到父进程真的拿到了子进程写的东西，这就是一个最基本的管道的应用。

读写端的几种情况

写端慢，读端快

我们模拟一下，写端慢，读端快的情况

#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<cassert>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
#include<stdio.h>
#include<string.h>
using namespace std;
#define MAX 1024int main()
{//建立管道int pipefd[2] = {0};int n = pipe(pipefd);assert(n == 0);//创建子进程pid_t id = fork();//子进程if(id < 0){perror("fork fail");return 1;}if(id ==0){//子进程要做的事close(pipefd[0]); //关闭读的通道//向管道写入int cnt = 10;while(cnt){//缓冲区char message[MAX];//向缓冲区里写snprintf(message,sizeof(message),"hello father I am child my pid:%d cnt:%d ", getpid(),cnt);cnt--;//向管道写write(pipefd[1],message,strlen(message));sleep(100); //模拟写端慢}exit(0);}//父进程要做的事close(pipefd[1]); //关闭写的通道//从管道中读取数据char buffer[MAX];while(true){ssize_t n = read(pipefd[0],buffer,sizeof(buffer));if(n > 0){cout << getpid() << "," << "chid say :" << buffer << "to me" << endl;}}//回收子进程pid_t rid = waitpid(id,nullptr,0);if(rid == id){cout<<"wait success"<<endl;}return 0;
}

在这里插入图片描述
我们发现父进程处于一个休眠的状态，很明显，它是在等待我们的子进程进行写入。

这里我们可以得出匿名管道具有同步机制，读端和写端是协同工作的。

写端快，读端慢

我们调换一下，让写端快，读端快：

#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<cassert>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
#include<stdio.h>
#include<string.h>
using namespace std;
#define MAX 1024int main()
{//建立管道int pipefd[2] = {0};int n = pipe(pipefd);assert(n == 0);//创建子进程pid_t id = fork();//子进程if(id < 0){perror("fork fail");return 1;}if(id ==0){//子进程要做的事close(pipefd[0]); //关闭读的通道//向管道写入int cnt = 10000;while(cnt){//缓冲区char message[MAX];//向缓冲区里写snprintf(message,sizeof(message),"hello father I am child my pid:%d cnt:%d ", getpid(),cnt);cnt--;//向管道写write(pipefd[1],message,strlen(message));cout<<"writing......"<<endl;}exit(0);}//父进程要做的事close(pipefd[1]); //关闭写的通道//从管道中读取数据char buffer[MAX];while(true){sleep(2); //睡眠2秒ssize_t n = read(pipefd[0],buffer,sizeof(buffer));if(n > 0){cout << getpid() << "," << "chid say :" << buffer << "to me" << endl;}}//回收子进程pid_t rid = waitpid(id,nullptr,0);if(rid == id){cout<<"wait success"<<endl;}return 0;
}

执行：
在这里插入图片描述
过了2秒之后：
在这里插入图片描述
数据一瞬间出来了。

这里我们可以得出匿名管道是面向字节流的，它没有硬性规定我写一条你必须马上读一条，而是以字节流的形式读或写。

管道的大小

我们可以写一段代码来测试我们管道的大小：

#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<cassert>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
#include<stdio.h>
#include<string.h>
using namespace std;
#define MAX 1024int main()
{//建立管道int pipefd[2] = {0};int n = pipe(pipefd);assert(n == 0);//创建子进程pid_t id = fork();//子进程if(id < 0){perror("fork fail");return 1;}if(id ==0){//子进程要做的事close(pipefd[0]); //关闭读的通道//向管道写入int cnt = 0;while(1){//   //缓冲区//   char message[MAX];//   //向缓冲区里写//   snprintf(message,sizeof(message),"hello father I am child my pid:%d cnt:%d ", getpid(),cnt);//   cnt--;//   //向管道写//   write(pipefd[1],message,strlen(message));//   cout<<"writing......"<<endl;char c = 'a';write(pipefd[1], &c, 1);cnt++;cout << "write ....: " << cnt << endl;}exit(0);}//父进程要做的事close(pipefd[1]); //关闭写的通道//从管道中读取数据char buffer[MAX];while(true){// sleep(2); //睡眠2秒// ssize_t n = read(pipefd[0],buffer,sizeof(buffer));// if(n > 0)// {//    cout << getpid() << "," << "chid say :" << buffer << "to me" << endl;// }}//回收子进程pid_t rid = waitpid(id,nullptr,0);if(rid == id){cout<<"wait success"<<endl;}return 0;
}

在这里插入图片描述
我们发现最后结果是65536，折合下来也就是64kb左右的大小。

我们也可以用指令来查看管道大小：ulimit -a：
在这里插入图片描述

我们查看的管道大小为512 * 8 = 4kb，好像比我们看到的小。这个其实不是真正的大小。

写端关闭，读端一直读

我们现在让写段写一段时间后直接关闭，但是读端没有关闭：

#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<cassert>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
#include<stdio.h>
#include<string.h>
using namespace std;
#define MAX 1024int main()
{//建立管道int pipefd[2] = {0};int n = pipe(pipefd);assert(n == 0);//创建子进程pid_t id = fork();//子进程if(id < 0){perror("fork fail");return 1;}if(id ==0){//子进程要做的事close(pipefd[0]); //关闭读的通道//向管道写入int cnt = 0;while(1){//缓冲区char message[MAX];//向缓冲区里写snprintf(message,sizeof(message),"hello father I am child my pid:%d cnt:%d ", getpid(),cnt);cnt++;//向管道写write(pipefd[1],message,strlen(message));//跳出if(cnt > 3) break;// char c = 'a';// write(pipefd[1], &c, 1);// cnt++;// cout << "write ....: " << cnt << endl;}//关闭写端close(pipefd[1]);exit(0);}//父进程要做的事close(pipefd[1]); //关闭写的通道//从管道中读取数据char buffer[MAX];while(true){//sleep(2); //睡眠2秒ssize_t n = read(pipefd[0],buffer,sizeof(buffer));if(n > 0){cout << getpid() << "," << "chid say :" << buffer << "to me" << endl;}cout<<"father return value:"<< n << endl;sleep(1);}//回收子进程pid_t rid = waitpid(id,nullptr,0);if(rid == id){cout<<"wait success"<<endl;}return 0;
}

在这里插入图片描述
这样表示：写端关闭，读端一直读取, 读端会读到read返回值为0， 表示读到文件结尾。

同时注意，进程退出，管道自动关闭。

写端一直写，读端关闭

#include<iostream>
#include<unistd.h>
#include<cassert>
#include<sys/types.h>
#include<sys/wait.h>
#include<stdio.h>
#include<string.h>
using namespace std;
#define MAX 1024int main()
{//建立管道int pipefd[2] = {0};int n = pipe(pipefd);assert(n == 0);//创建子进程pid_t id = fork();//子进程if(id < 0){perror("fork fail");return 1;}if(id ==0){//子进程要做的事close(pipefd[0]); //关闭读的通道//向管道写入int cnt = 0;while(true){//缓冲区char message[MAX];//向缓冲区里写snprintf(message,sizeof(message),"hello father I am child my pid:%d cnt:%d ", getpid(),cnt);cnt++;//向管道写write(pipefd[1],message,strlen(message));sleep(1);//跳出//if(cnt > 3) break;// char c = 'a';// write(pipefd[1], &c, 1);// cnt++;// cout << "write ....: " << cnt << endl;sleep(1);}//关闭写端//close(pipefd[1]);exit(0);}//父进程要做的事close(pipefd[1]); //关闭写的通道//从管道中读取数据char buffer[MAX];while(true){//sleep(2); //睡眠2秒ssize_t n = read(pipefd[0],buffer,sizeof(buffer));if(n > 0){cout << getpid() << "," << "chid say :" << buffer << "to me" << endl;}cout<<"father return value:"<< n << endl;sleep(1);//直接跳出break;}//关闭读端close(pipefd[0]);sleep(5);int status = 0;pid_t rid = waitpid(id, &status, 0);if (rid == id){cout << "wait success, child exit sig: " << (status&0x7F) << endl;}// //回收子进程// pid_t rid = waitpid(id,nullptr,0);// if(rid == id)// {//    cout<<"wait success"<<endl;// }return 0;
}

我们得到一下它的信号：
在这里插入图片描述
我们查一下13号信号：
在这里插入图片描述
13号信号是：SIGPIPE：

SIGPIPE 是在进程向一个已经被关闭的管道（或者其他的类似的通信方式）写入数据时，内核向该进程发送的信号。这个信号的默认行为是终止进程。
常见的场景是，一个进程向另一个进程通过管道发送数据，但接收数据的进程提前退出，导致写入数据的进程尝试往已关闭的管道写入数据。在这种情况下，内核会发送 SIGPIPE 信号给写入数据的进程，通知它目标进程已经退出，不再接收数据。

所以我们才有上述现象。

总结一下管道有4种情况：

管道的4种情况

  1. 正常情况，如果管道没有数据了，读端必须等待，直到有数据为止(写端写入数据了)
  2. 正常情况，如果管道被写满了，写端必须等待，直到有空间为止(读端读走数据)
  3. 写端关闭，读端一直读取, 读端会读到read返回值为0， 表示读到文件结尾
  4. 读端关闭，写端一直写入，OS会直接杀掉写端进程，通过想目标进程发送SIGPIPE(13)信号，终止目标进程

5种特性：

管道的5种特性

  1. 匿名管道,可以允许具有血缘关系的进程之间进行进程间通信，常用与父子,仅限于此
  2. 匿名管道，默认给读写端要提供同步机制 — 了解现象就行
  3. 面向字节流的 — 了解现象就行
  4. 管道的生命周期是随进程的
  5. 管道是单向通信的，半双工通信的一种特殊情况

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